視頻內窺鏡技術在火箭管路上的應用

黃 云 周鵬飛 危 荃 李來平 周建平

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

0 引言

火箭增壓輸送系統是為發動機傳輸氧化劑和燃料劑的關鍵部件，其管路直徑在4～300 mm，變化大、彎角多、制造工藝復雜，為避免管路破損泄漏或者中間堵塞等情況發生，設計要求內部不允許裂紋、未焊透、凹坑、腐蝕、多余物等缺陷存在。目前增壓輸送系統管路主要以不銹鋼直管、彎管、半邊管與接管嘴、法蘭盤、法蘭環、補償器焊接而成。本文利用內窺鏡技術對導管的內表面進行檢測研究，分析其內部存在的主要缺陷類型和特征，并對其中難以定性的缺陷進行微觀分析，從而提高輸送管路產品質量水平。

1 視頻內窺鏡檢測技術特點

采用視頻內窺鏡設備，其光源采用發光二極管（LED）光源，利用大功率二極管白光通過由光纖傳導至內窺鏡的前端，然后利用前端部的一只固定焦點透鏡收集檢測區反射回來光線并轉換成CCD 電模擬信號，經放大、濾波及時鐘分頻后在顯示器上成像［1］。

選用GE XLG3 型視頻內窺鏡檢測，主要是因其焦距深、光亮度強、顯示范圍大、信號穩定，可對圖像進行增強、分析和存儲，在圖像清晰度、操作便捷性、可視范圍上優于直桿內窺鏡和光學纖維鏡，其更適用增壓輸送系統管路檢測。

2 增壓輸送管路內部存在的主要問題

增壓輸送導管主要由補償器、法蘭、半邊管、直管焊接而成，焊接完成后還需酸洗鈍化處理，因此，管路內表面可能存在毛刺、焊渣、凹坑、水漬、小顆粒、黃斑等物質殘余，這些殘余物質會影響產品質量［2］。另一方面，增壓輸送管路由于管路彎曲，長度較長，對內表面缺陷無法用目視方法直接檢測，因此需要借助內窺鏡設備對其表面進行檢測，以便及時發現缺陷。對影響產品質量的多余物殘留，可通過清洗、沖刷、高壓氣體吹除等工藝手段達到去除目的。而目前對于管路內部表面缺陷圖像尚無系統性研究，無法確定殘余物種類與危害程度，影響產品生產效率和質量可靠性。

3 檢測研究

3.1 檢測產品和檢測設備

運載火箭管路直徑在4～300 mm，為保證檢測質量，選用GE XLG3 型視頻內窺鏡開展試樣的檢測研究，試驗表明該設備對管路內壁損傷、焊接內表面缺陷、金屬多余物具有良好的檢測效果。其主要工藝性能指標為：探頭線長度6.0 m，照明功率70 W，CCD像素44萬，圖像數字放大1.5～6倍，測量誤差≤5%。

3.2 檢測工藝方法

內窺鏡檢測過程中對結果影響較大的參數主要包括探頭直徑、探頭方位等，對于不同的檢測對象、選用不用尺寸的探頭，檢測結果也不相同。經試驗研究表明，探頭位置應在距離檢測區域5～25 mm，探頭的角度應保持在與被觀測物平面45°～90°。內窺鏡探頭應根據管路的內徑尺寸選用，對于內徑均勻的管路，選擇的探頭直徑可不大于管路內徑的4/5，對于彎曲及內徑不均勻的管路，選擇的探頭直徑可不大于管路最小內徑的2/3［3］。

探頭越大，光強越強，圖像越清晰，為提高檢測圖像分辨率，優先選擇直徑較大的探頭。目前內窺鏡探頭最小直徑2.4 mm，對不同直徑管路組件也可根據表1 進行選擇，本次試驗檢測采用Φ6.0 mm探頭。

當需要對檢測缺陷進行尺寸測量時，需要對儀器清晰度和測量功能進行校準，其中清晰度主要采用1 mm 標定試驗件對探頭進行校準，其校準過程通過調節探頭與缺陷距離、放大倍數得到清晰圖像，其中缺陷放大倍數與標定時相同，如圖1所示。

表1 常用規格探頭對照范圍Tab.1 The contrast range of probe of commonly used standard

圖1 圖像校準Fig.1 The image calibration

缺陷尺寸誤差主要采用比較法校準，其基本原理主要為需要已知采集圖像某一標記的具體尺寸，并且測量位置與標記在同一圖像中，與標記盡可能靠近，該方法操作簡單，實用性強，適合現場檢測【2】。試驗中通過剖開的波紋管試樣，人工加工直徑為0.25 mm的凸起，見圖2。

圖2 人工缺陷Fig.2 The artificial defects

對標定缺陷使用上述方法對標定設備測量誤差進行驗證，試驗測量為0.24 mm，即誤差4%，進行類似20 組試驗，其試驗數據表見2，測量結果顯示其誤差均≤10%，根據工藝要求，其校準符合試驗條件。

表2 人工直徑0.25 mm試驗測量數據表Tab.2 The data sheet of the test measurement of diameter 0.25 mm

3.3 檢測結果分析

試驗后對管路圖像特征信息進行比對篩選，經過試驗分析，對管路造成影響的缺陷主要有一下幾種類型。

（1）腐蝕：如圖3 所示［4］。特點主要是光束照射下，觀察到塊狀、點狀不光滑表面輕微凹凸不平的腐蝕。

圖3 不銹鋼導管內表面腐蝕Fig.3 The corrosion of inner surface of stainless steel conduit

（2）多余物：如圖4所示。在光束照射下，多余物呈現為不規則的與被檢物基體材料表面有不規則顏色變化的白色反光點或反光線，存在于產品內部，位置不固定，有時會隨著產品移動，多存在于彎曲、死角處。

圖4 導管金屬多余物殘留Fig.4 The metal remains in conduit

（3）毛刺：如圖5 所示［4］。在光束照射下，毛刺呈現為不規則凸出狀的反光點或反光線，多見于被檢物管口或加工位置等，對于發現的反光亮線，應通過不同角度反復檢查，如果發現亮線是明顯凸起的，則為毛刺。

圖5 不銹鋼導管毛刺Fig.5 The burrs in the stainless steel conduits

（4）起皮：如圖6 所示。起皮是指管路內表面出現的一種片狀突起物，其根部與管壁相連，在內窺鏡圖像中為白色反光亮點，與多余物相似，有時可見明顯凸起，機械取出后會有凹坑出現。

圖6 不銹鋼導管起皮Fig.6 The peeling of the stainless steel conduit

（5）劃痕、劃傷：如圖7 所示。劃痕、劃傷表現為沿管路方向形成的一條或多條平行直線形損傷，呈連續長線圖像，長度較長，顏色與基體有差異。

圖7 不銹鋼導管劃傷+起皮Fig.7 The scratch and peeling of the stainless steel conduits

圖8 異常斑點（黃斑、白斑）Fig.8 The abnormal spots（yellow spots，white spots）

（6）異常斑點：如圖8所示。在光束照射下，被檢物基體材料表面呈現明顯的反光色斑，多表現為白色、黃色色斑，稱為異常斑點，缺陷處無明顯凸凹變化。

（7）凸起、凹坑：如圖9 所示。凸起、凹坑指管路內表面上出現的凸起物和凹陷坑。當內窺鏡以一定角度照射時，凹坑周圍與被檢物邊界連續，無明顯分界線，且離光源近的部位有陰影，遠的部位為亮影。

圖9 不銹鋼導管凹坑、凸起Fig.9 The pits and bulges of the stainless steel conduits

通過上述試驗技術研究表明，利用內窺鏡檢測技術對發現管路內部缺陷具有重要作用，其檢測圖像清晰、分辨率高，具有很好的檢測效果。

3.4 微觀分析

試驗中特征明顯缺陷如（1）、（5）、（7）類型缺陷工藝文件要求不允許存在，對于（6）類型圖像可以通過電鏡與能譜以及金相微觀對其進一步分析，本試驗選取圖10異常斑點（腐蝕、黃斑）分別進行理化分析。

圖10 波紋管異常斑點Fig.10 The abnormal spots of the bellow seals

3.4.1 腐蝕部位能譜分析

圖11 波紋管腐蝕電鏡圖Fig.11 The picture of electron microscope of corrosion in the bellow seals

圖11 為波紋管腐蝕的電鏡圖，試驗中選取譜圖1 和譜圖2 兩個位置對其進行了成分分析。從圖12和圖13可以清楚地發現腐蝕部位存在大量的C、O元素，造成其與基體組織差異明顯，另外存在Cl、Na、K等元素。

圖12 波紋管腐蝕部位能譜圖1Fig.12 The energy spectrum 1 of corrosion in the bellow seals

圖13 波紋管腐蝕部位能譜圖2Fig.13 The energy spectrum 2 of corrosion in the bellow seals

3.4.2 波紋管黃斑部位金相分析

在圖10 波紋管黃斑上取樣，用掃描電鏡進行觀察，形貌見圖14。從圖上可以看出，波紋管內表面，存在一定數量的極為細小的微孔，而黃斑塊處則出現了微孔聚集現象。

同時利用500×金相分析儀對基體和黃斑處進行分析，其金相組織見圖15。從圖上可以看出正常區域和異常區域的金相組織，晶粒徑相互之間沒有明顯的變化。

試驗還對黃斑部位進行了能譜分析，見圖16。主要成分為Fe、Ni、Cr等基體元素。由金相和能譜分析可以看出，波紋管內表面的黃斑為表面污點導致的氧化現象。即黃斑為污染造成的局部氧化與局部微孔共同作用造成的，而導管內表面電鏡圖顯示微孔普遍存在，因此其屬于正常組織，不影響管路表面質量。

圖14 波紋管黃斑電鏡圖Fig.14 The picture of the electron microscope of yellow spots in the bellow seals

圖15 波紋管黃斑金相圖像 500×Fig.15 The image of the metallographic of yellow spots in the bellow seals

圖16 黃斑部位能譜圖像Fig.16 The image of the energy spectrum of yellow spots

4 影響導管內部檢測的主要因素

首先內窺鏡檢測大多使用自帶光源進行照明，一般條件下，要求內窺檢測照明光源色溫宜不低于5 000 k，照明強度宜不低于1 000 lm。其次要合適的觀察距離和觀測角度，要求在距離檢測區域5～25 mm，探頭與觀察物平面在45°～90°，探頭應盡量靠近觀測點。

在進入管路檢測時，需選擇靠近需要檢測位置，長度最短的通道，盡量減少探頭需要彎曲的次數及程度，其中管路轉彎半徑宜大于120°，并且探頭需優先選擇寬闊的通道，采用邊觀察邊通過的方法在通道中行進，遇到通道阻止時需立即退出，必要時可使用輔助裝置，保證探頭在管路中的正確方向，同時還需反復改變探頭與觀察點的位置與角度找到合適的位置，才能獲得最佳檢測效果。另一方面內窺鏡檢測隨著從透鏡中心到邊緣距離的增大會發生圖像畸變，畸變會對缺陷的判斷及測量產生影響，在尺寸測量時視頻內窺鏡可通過標準試塊對系統進行較正。

5 結論

（1）探頭應根據增壓輸送管路的內徑尺寸選用，為提高檢測圖像清晰度和圖像分辨率，優先選擇直徑較大探頭。

（2）增壓輸送管路缺陷測量適合采用標定缺陷對比法進行測量校準，其測量準確，現場檢測適用性強。

（3）采用內窺鏡檢測技術，可以對增壓輸送管路組件內部進行檢測，其缺陷圖像清晰，效果穩定，試驗結果顯示其內表面缺陷類型定性準確。